【導(dǎo)讀】現(xiàn)今社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量要求日益提高，而電網(wǎng)電能污染卻日趨嚴(yán)重，指標(biāo)的概念和計(jì)算方法；數(shù)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法；架，詳細(xì)設(shè)計(jì)各功能模塊；技術(shù)的不斷發(fā)展。虛擬儀器具有豐富的軟件功能、簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)、高度的智能化等特點(diǎn)。分析系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能單一、升級(jí)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。平衡度、電網(wǎng)諧波等電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且具有一定的分析功能。測(cè)裝置的缺陷，分析了利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的可行性。標(biāo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究和離散化處理。接著確定了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)論述。指出本課題的進(jìn)一步研究工作展望與設(shè)想。

　　

【正文】 (G 語(yǔ)言 )的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它將直觀的前面板與流程圖式的編程方法結(jié)合起來(lái)，是開(kāi)發(fā)虛擬儀器的強(qiáng)大和理想的工具 。 [1] 在 LabVIEW 中，一個(gè)虛擬儀器 (VI)程序由兩部分組成 :前面板 (Front Panel)和流程圖 (Block Diagram)。前面板對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)電子儀器的控制面板，是圖形化的用戶界面，用戶可通過(guò)前面板對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)置。在前面板上，用戶的輸入是通過(guò)被稱(chēng)為 Control 摸板 的輸入控件實(shí)現(xiàn)的，程序運(yùn)行的結(jié)果輸出則由 Control 模板的Indictor控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器輸出結(jié)果非常豐富，既可以輸出數(shù)據(jù)，又可以輸出各種圖形，還可以保存為純 文本、 二進(jìn)制文件 等多種文件格式 。 LabVIEW 的特點(diǎn) 與其它編程語(yǔ)言相比， LabVIEW 具有以下特點(diǎn) : 1） LabVIEW 采用了 可 視化編程技術(shù)，在前面板上提供了工業(yè)領(lǐng)域多種顯示和控制對(duì)象，如開(kāi)關(guān)、旋鈕、 LED 指示燈、儀表、圖形等。同時(shí)，用戶還可以對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行修改以適合不同需要。 LabVIEW 平臺(tái)內(nèi)部集成了大量功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)供用戶直接調(diào)用，從底層 VXI, GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動(dòng)程序，從基本的功能函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)、涵蓋了儀器設(shè)計(jì)中所需要的幾乎所有函數(shù)。 2） LabVIEW 內(nèi)置的程序編譯器采用編譯方式運(yùn)行 32 位應(yīng)用程序，解決了其它按解釋方式工作的圖形編程平臺(tái)速度慢的問(wèn)題，其速度大體相當(dāng)于編譯 C 的速 度，因此編制出的虛擬儀器程序執(zhí)行效率高。 3) LabVIEW 支持的數(shù)據(jù)類(lèi)型于其他高級(jí)語(yǔ)言 (如 C 語(yǔ)言 )相同，包括 :數(shù)值型，文本型，布爾型，串和簇 (相當(dāng)于 C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu) )，同時(shí)它和 C語(yǔ)言一樣支持順序、循環(huán)、選擇等結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)報(bào)錯(cuò)和處理功能。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 4)在 LabVIEW 環(huán)境下也可以設(shè)定程序斷點(diǎn)，進(jìn)行帶數(shù)據(jù)探針的單步運(yùn)行，加亮執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤。這些功能使程序的開(kāi)發(fā)調(diào)試變得更為容易。 5 ) LabVIEW 是開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以通過(guò) DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) )接口和 CIN(代碼接口節(jié)點(diǎn) )，調(diào)用其 它編程軟件 (如 VC++, C)平臺(tái)編譯的模塊。 6)LabVIEW 提供對(duì) TCP/IP, UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，可以實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量網(wǎng)絡(luò)化。 LabVIEW 中的常用數(shù)據(jù)類(lèi)型 LabVIEW 的數(shù)據(jù)類(lèi)型與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中的數(shù)據(jù)類(lèi)型基本類(lèi)似，除了具有一般的數(shù)據(jù)類(lèi)型之外，還有一些獨(dú)特的數(shù)據(jù)類(lèi)型。 表 31列出了 LabVIEW中常用的幾種數(shù)據(jù)類(lèi)型及其相對(duì)應(yīng)的前面板對(duì)象的默認(rèn)值、端口圖標(biāo)和連線形式。每種類(lèi)型的端口圖標(biāo)都有一種顏色，以示區(qū)別?？刂贫丝趫D標(biāo)的邊框?yàn)榇謱?shí)線，端口右側(cè)有一個(gè)享有的箭頭，表示輸出數(shù)據(jù)，指 示端口的圖標(biāo)的邊框?yàn)榧?xì)實(shí)線，端口左側(cè)有一個(gè)向左的箭頭，表示輸入數(shù)據(jù)。 表 31 LabVIEW 中常用的幾種數(shù)據(jù)類(lèi)型 數(shù)據(jù)類(lèi)型 默認(rèn)值 端 口 圖 標(biāo) 連線形式 雙精度浮點(diǎn) 枚舉 —— 布爾 False 字符串 空字符 數(shù)組 —— 簇 —— 路徑 空路徑 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù) —— 波形數(shù)據(jù) —— 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁(yè) 采用 LabVIEW 編制虛擬儀器程序的步驟 在編制虛擬儀器程序前， 必須首先對(duì)程序進(jìn)行總體設(shè)計(jì)分析 :一是確定程序要實(shí)現(xiàn)的功能、要顯示的圖形圖像、要輸出的報(bào)表 。二是確定程序的層次關(guān)系，如主程序和子程序之間的關(guān)系、虛擬儀器程序與硬件的連接關(guān)系等。 在完成虛擬儀器程序總體設(shè)計(jì)后，就可在前面板上布置實(shí)現(xiàn)所需功能的顯示對(duì)象，這些對(duì)象包括開(kāi)關(guān)旋鈕控制、數(shù)據(jù)顯示、表頭、波形顯示、相量圖、頻譜圖顯示等，前面板布置好這些對(duì)象后，工程技術(shù)人員通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)就可像操作傳統(tǒng)儀器一樣地操作虛擬儀器。 在 LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境中，后臺(tái)流程圖與前 面板控制顯示對(duì)象對(duì)應(yīng)，開(kāi)發(fā)人員的任務(wù)是通過(guò)連接不同功能的函數(shù)模塊使數(shù)據(jù)流從輸入對(duì)象經(jīng)過(guò)處理傳送到輸出對(duì)象。與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計(jì)一樣， LabVIEW 也有 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流編程部分 ，包括 順序（ Sequence）、條件（ case）、 For 循環(huán)、 While 循環(huán)、事件等結(jié)構(gòu)，如圖 31所示。 圖 31 LabVIEW 中的主要結(jié)構(gòu)函數(shù) 這些結(jié)構(gòu)被描述成圖形化的邊界結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)人員不必注意傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)所需的語(yǔ)法細(xì)節(jié)，只需直接將它們連接起來(lái)就可完成數(shù)據(jù)傳遞。在編制大型復(fù)雜的虛擬儀器應(yīng)用程序時(shí)，由于所用模塊很多，這時(shí)必 須考慮程序的層次結(jié)構(gòu)，這可以通過(guò)靈活編制子程序、采用更為簡(jiǎn)單高效的計(jì)算原理等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 和傳統(tǒng)程序一樣，在編制虛擬儀器程序時(shí)，需要不斷對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試分析，LabVIEW 程序調(diào)試功能十分強(qiáng)大易用，可以靈活設(shè)定程序斷點(diǎn)，進(jìn)行帶數(shù)據(jù)探針的單步運(yùn)行，加 亮 執(zhí)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤判斷。同時(shí)， LabVIEW 是目前唯一帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，它可根據(jù)用戶編制程序自動(dòng)產(chǎn)生最優(yōu)化代碼，加快程序運(yùn) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) 行速度。另外，用戶還可以利用內(nèi)置的繪圖器對(duì)程序代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。 采用 LabVIEW 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理 LabVIEW 之所以強(qiáng)大易用，很大程度上是因?yàn)?LabVIEW 內(nèi)置了極其豐富的數(shù) 據(jù)分析處理函數(shù)模塊 。 可以說(shuō)，正是因?yàn)椴捎昧诉@些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能模塊，替代了原來(lái)必須用硬件完成的數(shù)字信號(hào)處理分析功能，才出現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念，開(kāi)發(fā)出的儀器才被稱(chēng)為虛擬儀器。 這部分模塊與 DAQ 硬件系統(tǒng)結(jié)合，可以將已經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換 的 外界信號(hào)與流程圖進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的輸入， 在頻譜分析中使用平滑窗口能夠減少在離散數(shù)據(jù)塊下使用 FFT而產(chǎn)生的頻譜泄漏。傅立葉 變換方法的基本假設(shè)會(huì)在頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生意外尖峰和頻譜泄漏，而利用 合適的平滑窗口能夠消除頻譜泄漏。 數(shù)字濾波器可以消除由電于元件產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，或者由環(huán)境影響產(chǎn)生的噪聲。 LabVIEW 軟件有三種類(lèi)型的濾波器， IIR 濾波器、 FIR 濾波器以及非線性響應(yīng)濾波器。 計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，需要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行離散采樣，轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行頻譜分析，它反映的一些信息是時(shí)域分析中得不到的。 LabVIEW 內(nèi)置了這些變換必須的函數(shù)模塊，典型的如 FFT，在虛擬儀器程序中，用戶直接調(diào)用即 可，非常方便，見(jiàn)圖（ 32）。 圖 32 時(shí)頻域轉(zhuǎn)換函數(shù) LabVIEW 的儀器驅(qū)動(dòng) 儀器驅(qū)動(dòng)是一套高級(jí)、具有指導(dǎo)性的功能，它將硬件和軟件緊密結(jié)合起來(lái)，用來(lái)控制 GPIB, VXI, RS232, RS485， 或基于計(jì)算機(jī)的儀器 I/0 接口程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序是提高虛擬儀器程序運(yùn)行效率的關(guān)鍵。一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序功能包括儀器命 令 的語(yǔ)法、 I/0 接口協(xié)議、數(shù)據(jù)語(yǔ)法分析以及掃描等。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) 第四章 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的工作原理 虛擬儀器技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)測(cè)控技術(shù)，它使現(xiàn)代測(cè)試儀器不但具有傳統(tǒng)儀器、 儀表的全部功能，同時(shí)還可以充分地利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力、存儲(chǔ)容量和網(wǎng)絡(luò)功能，解決電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ)、分析以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，此外虛擬儀器具有功能豐富的面板，使得測(cè)量結(jié)果更加直觀清晰。 本章首先介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，然后詳細(xì)地闡述了系統(tǒng)硬件部分的方案設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)思路，最后介紹該系統(tǒng)中電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測(cè)的數(shù)字化處理方法。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 基于虛擬儀器的電能質(zhì)量參數(shù) 分析 系統(tǒng)同樣必須具備傳統(tǒng) 監(jiān)測(cè)分析 系統(tǒng)的三大功能模塊 ： 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和結(jié)果顯示模塊。數(shù)據(jù)采集 模塊還是由傳統(tǒng)的采集硬件來(lái)完成，不同的是數(shù)據(jù)分析處理模塊 和結(jié)果顯示模塊 完全由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，這部分功能不受硬件限制，可以根據(jù)用戶的需求可以隨時(shí)增加修改模塊，這一優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)儀器所無(wú)法比擬的 。 對(duì)于本論文所研究的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè) 分析 系統(tǒng)，軟件部分是核心，只要硬件部分將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡以最小失真度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其余的任務(wù)如濾波、加窗、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及顯示打印等完全交給軟件來(lái)處理。總體來(lái)說(shuō)，基于虛擬儀器思想所建立的電能質(zhì)量 分析 系統(tǒng)由兩大部分組成 ： 硬件部分和軟件部分 。 系 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 系統(tǒng)的硬件部分 本系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術(shù)，該技術(shù)的核心是使用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)測(cè) 分析 系統(tǒng)中關(guān)于數(shù)據(jù)分析處理的硬件模塊。這并不是說(shuō)明系統(tǒng)不需硬件支持，軟件畢竟要建立在硬件基礎(chǔ)之上。在本論文所研究的基于虛擬儀器技術(shù)的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，基本的硬件部分包括 ： 傳感器、信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集卡、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。 〔 19〕 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 圖 41 總體結(jié)構(gòu)圖 圖 42 硬件結(jié)構(gòu)圖 1. 傳感器 模擬信號(hào)在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前應(yīng)先通過(guò)傳感器變換成符合采集卡量程要求的電壓、電流信號(hào)。這里就要把被測(cè)的強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電信號(hào)，出于對(duì)系統(tǒng)的可靠性及安全性方面的考慮，儀器與各種強(qiáng)電信號(hào)在電氣上必須是隔離的，不能把電壓和電流信號(hào)直接送到數(shù)據(jù)采集卡，因此使用了電壓互感器 (PT)和電流互感器 (CT)。為了方便測(cè)量，在這一環(huán)節(jié)中，傳感器的選擇是至 關(guān) 重要的，如果選取的傳感器精度不夠，線性度不好，無(wú)論是信號(hào)轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都無(wú)法實(shí)現(xiàn)， 相 應(yīng)的后續(xù)分析工作 也就 變得毫無(wú)意義。 在本系統(tǒng)中，傳感器采用的是基于霍爾原理的閉環(huán)補(bǔ)償電壓互感器和電流互感器。具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等傳感器 信號(hào)調(diào)理電路 數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī) 原始電壓信號(hào) 原始電流信號(hào) 傳感器 信號(hào)調(diào)理（多路電氣量隔離、放大、濾波、線性化變換） 信號(hào)采集卡 裝有虛擬儀器軟件的計(jì)算機(jī) 數(shù) 據(jù) 處理分 析 數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 報(bào)表打印 結(jié)果顯示 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 優(yōu)點(diǎn) 。 2. 信號(hào)調(diào)理器 儀器信號(hào)調(diào)理是一種高性能、多通道的信號(hào)調(diào)理與開(kāi)關(guān)平臺(tái)，適用于 E 系列插入式測(cè)量設(shè)備和其它相關(guān)測(cè)量設(shè)備的前端信號(hào)調(diào)節(jié)。一個(gè)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)通常包括一個(gè)或者多個(gè)堅(jiān)固的機(jī)箱，機(jī)箱中可以安裝各種不同的信號(hào)調(diào)理模塊以滿足系統(tǒng)對(duì)I/O 的需求。儀器信號(hào)調(diào)理模塊可以在系統(tǒng)中各種傳感器與信號(hào)間建立一個(gè)接口，借助高性能、低噪音的信號(hào)調(diào)理功能，來(lái)提 高測(cè)試質(zhì)量與可靠性，這些信號(hào)調(diào)理功能包括 ： 信號(hào)放大、隔離、多路復(fù)用、濾波、傳感器激勵(lì)、同步采樣與保持 。 (1)信號(hào)放大 放大是最為普遍的信號(hào)調(diào)理功能。對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大可以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對(duì)信號(hào)放大以使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓范圍和 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D） 的最大輸入范圍相等。同時(shí)，信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)有多種信號(hào)調(diào)理模塊可以放大輸入信號(hào)。在臨近傳感器的信號(hào)調(diào)理機(jī)箱內(nèi)對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號(hào)傳送到 PC，從而最大限度地降低噪聲對(duì)讀數(shù)的影響。 (2)隔離功能 隔離功能是為了安全 的目的把傳感器的信號(hào)和計(jì)算機(jī)相隔離。被監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用 隔離 ，這種高壓會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)造成損害。另外使用隔離可以確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會(huì)受到接地電勢(shì) 差或共模電壓的影響。 當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號(hào)使用不同的參考地線 時(shí) ， 一旦這兩個(gè)參考地線有電勢(shì)差，就會(huì)帶來(lái)麻煩， 這種電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號(hào)的讀數(shù)不準(zhǔn)確 ； 或者如果電勢(shì)差太大，它也會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)造成損害。使用隔離式信號(hào)調(diào)理能消除接地回路并確保信號(hào)可以被準(zhǔn)確地采集。 (3)多路復(fù)用功能 多路復(fù)用是使用單個(gè)測(cè)量設(shè)備 來(lái)測(cè)量多個(gè)信號(hào)的常用技術(shù)。模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理硬件常對(duì)緩慢變化的信號(hào)使用多路復(fù)用方式。 ADC 采集一個(gè)通道后，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)通道，如此往復(fù)。 (4)濾波功能 在傳感器獲得的測(cè)量信號(hào)中，往往含有許多與被測(cè)量無(wú)關(guān)的頻率成分，需要通過(guò)信號(hào)濾波電路濾掉。濾波電路的功能在于濾除信號(hào)中的冗余部分，如高頻信號(hào)、傳輸線引進(jìn)的干擾等，減少由于傳感器內(nèi)阻或傳輸線阻抗等因